比例压力阀的工作原理与性能特性
出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册上册》第1241页（9696字）
国内目前压力阀品种繁多，在此简介几种具有代表性的类型。
(1)直接作用式比例溢流阀
直接作用式又称直动式比例溢流阀，其工作原理见图21．5－1。其中(b)为不带位移电反馈式。与开关型压力阀相比，这种型式的主要特点就是用比例电磁铁取代了调压手轮，压力调定值由输入电信号控制，与输入信号成正比。
图21．5－1 直接作用式比例溢流阀原理图
(a)位置电反馈式；(b)不带位移电反馈
1－锥阀芯；2－推杆；3－比例电磁铁；4－锥座；5－弹簧；6－弹簧座；7－位移传感器
图21．5－1(a)所示结构，采用了位置调节型比例电磁铁，弹簧座即衔铁的位移由位移传感器检测，并由位置闭环系统调整它与输入信号之间的偏差。从而得到精确的弹簧压缩量，精确的调定压力(此阀结构见图21．5－18)。
直控型比例溢流阀使用方便，重复精度高，滞环小，响应速度快。但由于受电磁推力限制，其输出流量，输出功率不能太大。因此这种阀多用作先导式压力阀中的先导控制级和容积比例控制系统的压力控制元件。
比例溢流阀的静态输出特性主要是电流—压力特性和流量—压力特性。图21．5－2是直控型比例溢流阀的典型静特性曲线。
图21．5－2 位置电反馈直接作用式比例溢流阀输出特性
阀分为不同的压力等级。不同调节压力的阀，使用相同的电磁铁，阀的最大调节压力由弹簧力和阀孔直径决定。高压阀采用较小的阀孔直径。阀区分为不同压力等级，还可使工作电流处在整个有效控制电流范围内，不是仅占其中一小部分。这有利于提高控制精度与运行可靠性。虽然在确定的输入信号电压下，弹簧座有一个精确的确定位置，但弹簧压缩量还与通过阀口的流量有关。流量大，阀口开度大，弹簧压缩量也大。这样就使阀的调定压力不能从零开始，而是存在一条与流量相关的最低调定压力曲线。当压力等级较高时，由于孔径较小，最大通流量较小，流量对压力的影响有所减小。
直控式比例溢流阀的动态性能较好。阀芯质量小，机械摩擦力小，控制环节少。因此响应快，压力超调不大。图21．5－3是位置电反馈式直控溢流阀的传递函数方块图。
图21．5－3 位置电反馈式直控比例溢流阀传递函数方块图
(a)传递函数方块图；(b)传递函数符号说明图
Kuy——位移反馈系数；
Ks1——先导阀弹簧刚度；
a0——反馈推杆的面积；
Kqy——先导阀口的流量增益；
Kpy——先导阀口的压力增益；
ωsm——二阶环节固有频率；
Kse——综合弹簧刚度；
ωsv——阶环节转折频率；
E——油液弹性模量；
V——等效容积；
其他符号含义同图21．3－4的符号说明。
R——等效电阻；
R=Rc+rp+KuKfi
Ks2——主阀弹簧刚度；
Kfv——阀芯液动力刚度；
Kqp——先导阀口的流量—压力系数；
ζsm——阻尼比；
KG——无量纲系数；
G0——等效液导；
GR1，GRR——相应液阻的液导；
直控式溢流阀的工作原理和性能对压力控制阀有重要意义，因为它常作为其他压力阀的先导级，直接影响这些阀的性能。作先导阀用时，直控式溢流阀的油路连接与单独作溢流阀时有些差别，且往往不带位移电反馈。
(2)先导式比例溢流阀
大流量、大功率的比例溢流阀，都采用先导控制方式，经过一级或二级放大，实现小功率信号对大功率输出的控制。
图21．5－4是先导式比例溢流阀的工作原理图。力控制型比例电磁铁的推杆2，直接作用在先导阀锥阀芯3上，对阀芯施以电磁力。系统压力作用在主阀芯4下端，经固定阻尼R1后作用于先导阀芯。当压力升高达到比例电磁铁调定值时，先导阀开启，形成先导油流。于是主阀芯上、下腔产生压力差，驱动主阀芯开启。
图21．5－4 先导式比例溢流阀(DBE型)
1－比例电磁铁；2－推杆；3－先导阀芯；4－主阀芯；5－限压阀
弹簧调节式限压阀5作安全阀用，保护系统免受比例电磁铁意外尖峰电流引起高压的破坏。
作用在先导锥阀芯上，与输入信号比较的压力是经过阻尼R1之后的压力p1。因此这种阀是间接检测式。
图21．5－5是这种阀的静态特性曲线。阀的先导控制部分即为前述的直接作用式溢流阀，因此在性能上有许多相关内容。阀也分为不同的压力等级。
图21．5－5 先导式比例溢流阀静态特性曲线
(a)I－p特性；(b)p－q特性；(c)流量－最低调节压力曲线
阀的I－p曲线有25%死区。q－p曲线在额定工作范围内近于水平线，这是因为先导型溢流阀由主阀口泄油，主阀口自动改变以适应溢流流量的要求。但当溢流流量继续增大，使主阀口开度变化不能与之相适应时，压力就会随流量明显升高。因此阀的q－p曲线在q值太大部分明显上翘，出现较大的调压偏差。由于与前述直控式溢流阀同样的原因，阀存在一条最低压力设定曲线。
由于这种阀是压力间接检测，只能构成先导级的局部反馈，主阀芯上各种干扰力的影响未能受到抑制，因此有一定的压力超调，其快速性也不如直接作用式溢流阀。图21．5－6是这种阀的传递函数方块图。
图21．5－6 间接检测先导式比例溢流阀传递函数方块图
Kfx——主阀稳态液动力刚度；
Kqp——主阀流量—压力系数；
Kfp——液动力压力增益；
Cy——等效液导之二；
ωx——控制转折频率；
βe——油的有效弹性模量；
A——主阀芯工作面积；
G1，G2，G3，GR——相应液阻器的液导；
Ksx——主阀弹簧刚度；
Kax——主阀流量增益；
C1——等效液导之一；
Gv——等效液导；
ω1——阀前容积的转折频率；
ω1=(G1+Kqp)βe／V1
V1——阀前管路容积；
Ar——主阀芯控制腔端面面积；
其他符号含义见前面有关处。
(3)先导式比例减压阀(DRE／DREM型阀)
图21．5－7为先导式比例减压阀的工作原理图。图(a)与先导式比例溢流阀的工作原理类似，比例电磁铁输出的电磁力作用于先导阀芯，由先导阀芯调定压力。先导阀开启后在主阀芯上、下腔造成压差，主阀芯上移，进入控制位置。通过主阀芯上均匀分布的通流口，油液从B流入A，并产生压力降，而保持A口压力恒定，作用在先导阀锥阀芯上与比例电磁铁输出力比较的压力引自A油口，即二次压力。但A口至先导阀芯有阻尼R1、R2，所以这种阀属于间接压力检测式。
图21．5－7 先导式比例减压阀工作原理图
(a)不带流量稳定器；(b)带流量稳定器
1－比例电磁铁；2－推杆；3－先导锥阀芯；4－主阀芯；5－单向阀；6－手调弹簧式限压阀；7－柱塞；8－阀套
当A腔压力使主阀芯趋于关闭时，仍有少量压力油通过控制油通道从泄油口流至油箱。电磁铁断电时，主阀全部打开，即阀属常开型。
单向阀5允许压力油反向自由流动，手调弹簧式限压阀6作安全阀用。
构成主阀减压口的是主阀芯上对称布置的若干小孔，这样可以削弱阀芯液动力的影响。
图(b)所示阀与图(a)所示阀的不同之处是：控制油液引自B腔即一次压力油腔，并在B腔至先导锥阀的油路上设置了一个先导流量稳定器。减压阀出口压力通过主阀芯与先导阀前压力比较，这样防止出口压力波动的问题，就转化为使先导阀前压力不变。在输入电信号一定的情况下，先导阀前压力是否稳定，取决于先导流量是否恒定。
先导流量稳定器由轴向可移动的柱塞7和阀套8组成，形成固定液阻R1和可变液阻R2。当一次压力变化，例如p1升高时，作用在柱塞下端作用力增加，推动柱塞上移，增加液阻R2使R1保持恒定，从而使先导流量保持稳定。
图21．5－8是带流量稳定器先导式比例减压阀的静态特性曲线。它与先导式比例溢流阀有相似之处：区分为不同的压力等级，I－户曲线有25%左右的零位死区，流量变化对调节压力略有影响，存在与主阀口开度相关的最低调定压力。但是它与溢流阀相反，主阀口开大，弹簧力减小，因此q－p曲线的变化趋势与溢流阀相反。设置先导流量稳定器使减压阀的稳态调压偏差减小，q－p曲线更趋水平。
图21．5－8 先导式型比例减压阀静态特性曲线
(a)输入电流—二次压力特性；(b)流量—二次压力特性；(c)入口压力—二次压力特性；(d)流量—最低调节压力特性；(e)流量—先导控制流量曲线
图21．5—9是带流量稳定器的先导式比例减压阀的传递函数方块图。
图21．5－9 带流量稳定器先导式比例减压阀传递函数方块图
(4)直接作用式三通比例压力阀(3DREP6型阀)
这种阀的工作原理如图21．5－10所示(结构见图21．5－23)。阀有左、右两个比例电磁铁1、2，控制阀芯内装有两个压力检测柱塞3、4。左、右电磁铁都未加控制信号时，控制阀芯6在弹簧力的作用下处于中位。此时P口封闭，A、B口与T口相通。当电磁铁1获得电信号时，电磁力通过柱塞3作用到控制阀芯上，使其向右移动，于是P、B口相通。B口压力油经阀芯径向孔进入其内腔，作用在阀芯右端和柱塞4左端，产生将阀芯向左推动的轴向力，此力与电磁铁1的推力比较，使阀芯处于油口B所建立的压力与电磁力相平衡的位置上，从而保持B口压力恒定。此时对应的油口A与T口相通。若电磁铁2工作，则P、A口相通，B、T口相通。
图21．5－10 直接作用三通比例压力阀工作原理图
1、2－比例电磁铁；3、4－压力检测柱塞；5－阀体；6－控制阀芯
这种阀具有复合功能，可同时控制液流的压力和方向。由于是直接作用式，它的输出功率受到限制，因此多作为先导型比例方向流量阀的先导控制级。
图21．5－11是该阀的静态特性曲线。其中图(b)曲线表示了阀的两个油口的流量关系。曲线右半部分为减压工作油口的特性，压力随流量有所降低；左半部分表明，在负载的非工作油腔，由于回油必须经过节流，建立了背压，且流量越大，背压越大。回油节流口的开度受减压口开度制约。
图21．5－11 直接作用三通比例压力阀静态特性曲线
(a)输入电流—二次压力特性；(b)流量—压力特性；(c)压差—流量特性
(5)先导式比例溢流阀减压阀(ERB型阀)
图21．5－12所示的先导式比例溢流减压阀又称三通减压阀。它有三个主通油口P、A、T。当P、A通油时，其工作原理与前述先导型减压阀相同，A油口的二次压力油经阻尼R2后，作用于先导阀，与电磁推力比较后，得到调定压力值。当调定压力下调时，主阀芯4因其右腔压力降低而右移，P口关闭，A、T口接通，工作腔压力在比例电信号控制下减压。由于降压过程压力油从主阀直接返回油箱，所以溢流减压阀降压响应较快，解决了先导减压阀降压响应低的问题。
图21．5－12 先导式比例溢流减压阀工作原理图
1－比例电磁铁；2－先导阀套；3－先导阀芯；4主阀芯
这种阀复合功能较强，P、A通油为减压阀，A、T通油时有溢流功能。所以可作减压阀、平衡阀和方向阀用。此阀先导阀部分采用了移动阀套结构，阀锥开在阀座3上。电磁推力通过弹簧作用在阀套2上，控制压力油从阀座的轴向孔、径向孔作用在阀套右端，与电磁力比较后，得到调节压力。这种结构更利于适应静、动态性能都更好的小型比例电磁铁。
图21．5－13为先导式比例溢流减压阀的静态特性曲线。从性能曲线可以看到起减压阀作用时，无论有无负载流量，该阀均有较好的压力控制精度。起溢流阀作用时，有较好的等压力特性。
图21．5－13 先导式比例溢流减压阀静态特性曲线
(a)输入电流－二次压力特性；(b)流量－二次压力特性
间接检测式压力控制阀稳态调压偏差较大，响应速度较低。若改为图21．5－14所示的直接压力检测方式，可提高压力阀的多项性能。
图21．5－14 直接检测式比例压力阀工作原理图
(a)溢流阀；(b)减压阀
1－比例电磁铁；2－先导差动滑阀；3－反馈柱塞；4－溢流阀主阀芯；5－减压阀主阀芯
直接检测式压力阀的先导阀为差动滑阀2，其左端有一作用面积为a0的反馈柱塞3，由反馈柱塞直接检测被控制压力。差动滑阀的面积差为a1－a2，且a1－a2=a0。稳态时滑阀两端压力相等即pr－pv。所以稳态时电磁铁推力直接与a0p或(a0p2)比较。动态时，液阻R3的作用使滑阀两端压力不等，产生附加液压力。这是一个负反馈力，可帮助电磁铁驱动阀芯，构成级间动压反馈。直接检测式压力阀的主阀部分与间接检测式相同。
直接检测式压力阀在控制原理上有了较大改进，输出量通过反馈柱塞直接检测，使阀在本质上形成闭环系统，因此流量变化对设定压力的干扰基本被抑制，q－p曲线与间接检测式相比，有了明显改善。液阻R3与差动滑阀组成的级间动压反馈，使阀的稳定性得以提高，超调量得以降低。图21．5－15和图21．5－16分别是直接检测式溢流阀和减压阀的典型特性曲线。图21．5－17是直接检测式比例压力阀的传递函数方块图。
(7)比例压力阀的性能指标
电液比例压力阀的规格与性能由功能参数与性能指标表示。
功能参数有：公称通径，额定压力，额定流量，压力调节范围。
电液比例控制阀的性能分为稳态性能和动态性能。稳态性能包括稳态控制特性和稳态负载特性。前者是控制输入信号与输出压力的关系，后者是指在某一调定的控制输入信号下，输出量与负载干扰信号的关系。控制输入信号是电流或电压(电反馈比例控制阀)，压力控制阀的输出为压力信号，负载干扰信号则是指除控制输入信号之外的任何一种影响输出量的输入信号。动态特性常用阶跃响应特性和频率响应来反映。动态特性也包括输出量对控制输入信号的响应和对负载干扰信号的响应。
A．稳态控制特性
在稳态控制特性曲线上可得到下述稳态控制特性指标：
滞环 在稳态控制特性曲线上，对应各相同输出量的正、反行程的控制输入电信号之差的最大值与额定输入电信号之比，以百分数计。
重复精度 在负载和油温不变的条件下，连续三次作同方向重复所得稳态控制特性曲线之间，相同输出量所对应的控制电信号值的最大差值与额定输入信号之比，以百分数计。
图21．5－15 直接检测式比例溢流阀性能曲线
(a)户－I特性；(b)p－q特性；(c)阶跃响应；(d)频率响应
图21．5－16 直接检测比例减压阀性能曲线
(a)户2－I特性；(b)p2－户1特性；(c)p2－q特性；(d)阶跃响应
图21．5－17 直接检测式比例压力阀的传递函数方块图
(a)直接检测式比例压力阀的传递函数方块图；(b)传递函数符号说明
ωv——主阀主导转折频率；
ω．vd=ω，Kxd
ωxad=ωxAKxd
a1，a2——差动滑阀的面积；
K，——等效弹簧刚度；
ωxd=ωxKxd
线性度 稳态名义控制特性对其名义控制增益线的最大偏差量与额定输入电信号值对起始电信号差值之比，以百分数计。
名义控制特性曲线是指控制曲线中心点的轨迹，名义控制增益线是指从名义控制特性曲线上最小控制输出量点开始所作的，与名义控制特性曲线偏差最小的直线。
B．稳态负载特性
比例压力阀的稳态负载特性主要有溢流阀的启闭特性，减压阀的流量—二次压力特性和一次压力一二次压力特性。
C．动态特性
阶跃响应特性是指在系统运动参数不变的条件下，被控输出量相对于一定幅值的阶跃输入电信号(或阶跃干扰信号)变化的过渡过程。
频率特性是指比例阀系统对一组不同频率的等幅正弦输入信号的响应特性，常用波德图表示。当输入一组幅值不变、频率不同的正弦信号时，输出量的幅值和输入量幅值的比值，称为幅频特性。输出量相位与输入信号相位之差，称为相频特性。
比例阀的主要动态特性指标有：
调整时间 输入信号发生时刻至输出量第－次达到并保持其相对误差在稳态值的±5%范围内所需的时间。
最大超调量 输出量最大峰值与稳态值之差与稳态值之比的百分数。
幅频宽 幅频特性曲线上幅值比降到0．707时的频率。
电液比例元件的动态特性，是包含比例控制放大器，电—机械转换器及相关的管道容腔在内的比例控制阀系统的综合特性。